氮添加對高寒草甸植物花期物候和群落結構的影響

章志龍，劉旭東，賈 鵬，杜國禎,

(1.蘭州大學草地農業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020； 2.蘭州大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730000)

由于人類活動的影響，氮素進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的方式和速率發(fā)生著極大變化，人為固定的氮素正在不斷積累，并對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能產(chǎn)生顯著影響[1-3]。氮素在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的增加引起了土壤生物化學性質及生物多樣性的變化[4]，草地植物群落中氮素的增加可導致群落物種多樣性和群落結構的變化[5-8]。近年來的研究表明，氮素的增加會引起植物物候的變化，尤其是植物花期的變化[9-11]，以及對植物的繁殖策略產(chǎn)生影響[12-13]。植物繁殖的時間體現(xiàn)了營養(yǎng)生長與生殖生長的平衡[14-15]，其中花期緊密地連接著營養(yǎng)生長和之后的生殖生長。植物的許多生理生態(tài)特征在花期集中體現(xiàn)出來，反映了植物在特定環(huán)境下的適合度[16-17]，因此，花期的變化可視為植物應對環(huán)境變化、避免干擾的核心屬性[18-19]?；ㄆ谖锖驔Q定著后代群落的動態(tài)結構，影響著群落的進化過程[20]。盡管已有研究表明，環(huán)境變化對植物物候產(chǎn)生了較大影響，然而目前關于環(huán)境變化對花期物候的影響尚無定論[21-24]。

關于草地群落土壤環(huán)境因素對植物群落結構、生產(chǎn)力和多樣性影響的研究已比較多[5-8]，但涉及氮素添加對草地群落物候影響的研究則相對較少[11,25]。本研究以青藏高原東部高寒草甸植物為例，分析了高寒草甸植物群落中30個常見組分種的始花期，群落性狀和結構對氮素添加的響應，以期確定高寒草甸群落組分種的始花期是否對氮素添加產(chǎn)生響應，揭示氮素添加導致始花期變化的原因，以及物候的變化對群落結構的影響。

1 材料與方法

1.1研究地概況和樣地描述 研究地位于青藏高原東緣瑪曲縣境內蘭州大學高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(阿孜分站)(33°40′ N,101°52′ E)，海拔 3 550 m。年均溫1.2 ℃(1月均溫-10 ℃，7月均溫為11.7 ℃)，無霜期小于90 d。過去30年年均降水量為670 mm，主要集中在短暫的夏季。主體土壤類型為亞高山草甸土，植被屬于高寒草甸類。樣地植被類型為莎草類+禾草類+雙子葉雜草類群系，莎草類主要以線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)為主；禾草類主要有冷地早熟禾(Poapoophagorum)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、胡氏剪股穎(Agrostishugoniana)和草地早熟禾(P.pratensis)等；雜類草中常見的有毛茛科的鈍裂銀蓮花(Anemoneobtusiloba)、條葉銀蓮花(A.trullifolia)、小花草玉梅(A.rivularis)以及絲葉毛茛(Ranunculustanguticus)。此外，還有豆科植物多枝黃耆(Astragaluspolycladus)、高山豆(Tibetiahimalaica)和黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)，菊科的長毛風毛菊(Saussureahieracioides)、瑞苓草(S.nigrescens)和重冠紫菀(Asterdiplostephioides)等。樣地自2008年起實行夏季禁牧。

1.2試驗設計 氮素添加試驗采用隨機區(qū)組設計，在圍欄內選擇一塊地勢平坦且勻質的樣區(qū)，分成15個10 m×6 m的小樣區(qū)，小樣區(qū)四角用木樁標記，各小樣區(qū)間距為2 m。在每個小樣區(qū)內設置4個0.5 m×0.5 m的固定樣方用于群落測定和物候觀測。設置了3個氮素添加水平，分別為對照(CK，0 g·m-2)、低氮(LN，5 g·m-2)和高氮(HN，10 g·m-2)，所用含氮試劑為硝酸銨(NH4NO3)，3個氮素添加水平隨機的布置在不同小樣區(qū)內[26]。2009-2011年，于每年5月上旬在多云陰天時將硝酸銨按照以上設計的氮素添加水平均勻的撒在每個小樣區(qū)內。

1.3物候觀測和群落性狀調查 植物群落物候觀測于2009-2011年每年的5月上旬-9月下旬3個完整的生長季內進行。每次物候觀測間隔為5～7 d，記錄樣方內出現(xiàn)的所有物種及其物候期，每次記錄獨立于上一次[27]，并在花期測量各物種的高度。記錄不同氮素添加小區(qū)內用于物候觀測的樣方中出現(xiàn)的每一個物種的始花期(First Flowering Date)。在每次觀測中，當物候觀測樣方中的雙子葉植物出現(xiàn)可辨認的花瓣、花藥和花絲時，則認為該植物進入花期；當禾草類植物的小穗只要不再被葉鞘包裹時，則認為禾草進入花期，并以儒略歷(Julian day，1月1日為1年中第1天)計數(shù)法計時[28]。在采樣區(qū)對不同氮素添加下處于花期的各物種的植物個體進行采樣，每一個物種采集20株完整的地上部分，從每一株上選取1～2片健康未破損的葉子，用掃描儀掃描葉片測定葉面積，測定完畢后在烘箱內烘干(80 ℃，48 h)，計算比葉面積(SLA=葉面積/葉干重，cm2·g-1)。每年8月底在每個樣方測定群落結構，記錄每個0.5 m ×0.5 m樣方內物種豐富度、物種的多度和分蓋度。

1.4數(shù)據(jù)分析 用群落中各物種的相對多度計算辛普森多樣性指數(shù)(Simpson’s Diversity Index，D)：

式中，S為群落中的物種數(shù)目，Pi為群落內任意物種的相對多度。

用物種的相對多樣性加權計算群落花期植株高度(CWM-H)和群落比葉面積(CWM-SLA)兩個性狀(Trait)，按照Garnier等[29]的方法計算物種相對多樣性加權的群落特征值(Community Weighted Means)：

式中，n為物種數(shù)，traiti為物種i的特征值。

用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗氮素添加對30個物種的始花期和花期高度的影響，以及氮素添加對群落特征CWM-H和CWM-SLA的影響，用多重比較中的最小顯著差數(shù)法(LSD Method)比較3個氮素添加水平之間差異(P<0.05)。用非度量多維尺度分析(NMDS)檢驗氮素添加對開花物候加權的群落結構相似性的影響。統(tǒng)計分析和繪圖使用SPSS 16.0和 R 2.8.1統(tǒng)計軟件進行。

2 結果與分析

2.1氮素添加對主要組分種始花期和花期物候及植株高度的影響 莎草科線葉嵩草，禾本科冷地早熟禾、垂穗鵝觀草(Roegnerianutans)、垂穗披堿草、草地早熟禾、羊茅(Festucaovina)、胡氏剪股穎、芒剪股穎(A.trinii)在高氮處理下的始花期顯著遲于對照(P<0.05)，而在低氮處理下，除羊茅與對照無顯著差異外(P>0.05)，其余物種的始花期也顯著推遲(P<0.05)。具有固氮能力的豆科植物多枝黃耆、高山豆和黃花棘豆的始花期在氮素添加后均無顯著差異。雙子葉類菊科雜草長毛風毛菊、瑞苓草和重冠紫菀在高氮處理下始花期顯著遲于對照(P<0.05)，在低氮處理下，瑞苓草的始花期顯著推遲(P<0.05)。與對照相比，濕生扁蕾(Gentianopsispaludosa)、橢圓葉花錨(Haleniaelliptica)、刺芒龍膽(Gentianaaristata)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、短腺小米草(Euphrasiaregelii)、絲葉毛茛和條葉銀蓮花在高氮處理下的始花期顯著提前(P<0.05)，在低氮處理下的始花期亦提前但并不顯著。其余的雙子葉類雜草的始花期在氮素添加下與對照群落無顯著差異(表1，表2)。在氮素添加下，30個常見物種在科間的始花期變化總體上表現(xiàn)為禾本科、莎草科和菊科的始花期推遲，而毛茛科、龍膽科和玄參科的始花期提前，且高氮處理下的變化大于低氮處理。此外，豆科始花期無變化(圖1)。30個常見物種的花期植株高度隨著氮素添加量的增加而增加(表2)，莎草科和禾本科所有物種的花期植株高度在氮素添加下增加，雙子葉類雜草中除刺芒龍膽和高山豆與對照無差異外，其余皆與對照差異顯著 (P<0.05)。

表1 氮素添加對高寒草甸植物群落中30個常見物種始花期的影響Table 1 Effects of nitrogen addition on the first flowering date of 30 common species d

表2 氮素添加對高寒草甸植物群落中30個常見物種植株高度的影響Table 2 Effects of nitrogen addition on plant height of 30 common species cm

2.2氮素添加對群落性狀和群落花期物候和群落結構的影響 氮素添加下的群落植株高度和群落比葉面積都顯著高于對照(P<0.05)(圖2)。隨著氮素添加量的增加，多樣性指數(shù)降低，高氮處理下降低顯著(P<0.05) (圖3)。自然群落與氮素添加下的群落花期物候相似性和群落結構的比較如圖4所示，3條不同的曲線分別表示了非度量多維尺度分析(NMDS)排序呈現(xiàn)出的3個氮素處理(CK、LN和HN)下群落之間在群落花期物候和群落結構的相似性分離程度(Stress Value=0.08)。對照、低氮和高氮群落之間的相似性逐漸降低，對照群落與低氮群落的相似性大于對照群落與高氮群落的相似性，說明隨著氮素添加量的增加，群落的物候和群落物種組成的變化越顯著。

3 討論

氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長的主要限制性因子，氮素的增加會影響植物的功能性狀和植物的繁殖策略[12,30-31]，最終降低草地群落物種多樣性，改變群落結構[7-8]。植物性狀指與植物形態(tài)、生理和物候有關的特性，是對植物的生長、繁殖、存活以及適合度具有重要影響的植物特性[32]。本研究中，所有觀測物種的花期高度都在氮素添加后增加，禾草和莎草高度的增加最強烈。禾草和莎草的始花期顯著推遲，氮素添加使植物對營養(yǎng)部分和繁殖部分投入量也會發(fā)生相應的變化[13,32]。從時間的角度來看，植物在生長季節(jié)內面臨營養(yǎng)生長與生殖生長之間時間分配權衡，生長季節(jié)內如果營養(yǎng)生長期延長，則生殖生長期相應推遲[33]，結果氮素添加使得禾草和莎草的始花期顯著推遲。雙子葉雜草類物種始花期變化不一致：具有固氮能力的豆科植物的始花期和高度與對照差異不顯著，其余植物除了菊科的兩個物種始花期推遲外，其余各科物種的始花期均提前。氮素添加后所有物種的高度和生物量都增加，但禾草類生物量比非禾本科顯著增加[34]，氮素添加后雙子葉類物種花期提前可能是由于雙子葉植物的開花時間受內部因素的調控大于其受外界環(huán)境變化的影響[11]。本研究中氮素添加顯著增加了CWM-H和CWM-SLA，它們高度代表了對光資源的競爭能力[35-36]，而比葉面積則代表了資源的投入與產(chǎn)出[37]，兩個特征反映了群落對資源的競爭能力和生長速率。由于氮素增加后群落中禾草類的生長速率和高度顯著高于非禾本科物種[38-39]，在群落中雙子葉植物的個體相對較小，為了避免與禾草在資源上(主要是光競爭)的競爭，提前開花可以有效地確保繁殖部分的生長，保證其未來在群落中的生存，這可能是氮素添加后雙子葉植物比對照群落的始花期提前的一個原因，但是潛在的機理還有待于進一步深入研究。2006年Cleland等[11]研究了模擬氮沉降對一年生草地群落中9個物種花期物候的影響，發(fā)現(xiàn)氮素量為7 g·m-2時雜草類花期提前2～4 d，禾草類花期推遲2～6 d，與本研究結果基本一致。

圖1 氮素添加處理下科間植物始花期的變化Fig.1 Changes of first flowering day between families among nitrogen addition treatments

圖2 氮素添加對植物群落高度(A)和群落比葉面積(B)的影響Fig.2 Effects of nitrogen addition on CWM-H (A) and CWM-SLA (B)

圖3 氮素添加對辛普森多樣性指數(shù)的影響Fig.3 Effects of nitrogen addition on Simpson’s diversity index

圖4 植物開花物候加權的群落結構相似性在氮素添加梯度上的非度量多維尺度分析(NMDS)排序(stress value=0.08) Fig.4 Nonmetric multidimensional scaling [NMDS] ordination of phenologically-weighed community similarity among nitrogen addition gradient(stress value=0.08)

功能特征在群落構建中具有非常重要的作用，花期物候作為一個影響繁殖的關鍵因素，同樣能夠影響群落構建?；ㄆ谖锖驅Νh(huán)境因素變化反應敏感，花期物候變動對生態(tài)系統(tǒng)結構與功能產(chǎn)生深遠影響[40]。非度量多維尺度分析(NMDS)排序的結果表明，在不同的氮素添加下群落花期物候和群落結構有顯著差異，隨著氮素梯度的升高開花物候加權的群落結構相似性變低，群落每次物候觀測之間的相似性也變低。總體上，氮素添加后莎草類和禾草類植物始花期推遲，而雙子葉類雜草始花期提前，這種反方向的變化使得氮素添加的群落與自然群落在物候和群落結構上產(chǎn)生了分離。氮素添加后群落物候偏移促進非相似性群落形成，施肥后花期物候偏移所導致的群落生態(tài)位變化，降低群落物候補償，增強了功能群間對限制性資源的競爭，群落中出現(xiàn)的生態(tài)位空洞為物種入侵或對群落結構變化提供生態(tài)位間隙[24]。群落中各物種對環(huán)境變化的響應會對物種之間競爭的相互作用產(chǎn)生潛在的影響，群落花期物候偏移潛在影響到更高營養(yǎng)級物種組成，可能會引起植物在繁殖及相互競爭共存上的新格局，最終改變群落的組成[20,27]。

[1] Holland E A,Dentener F J,Braswell B H,etal.Contemporary and pre-industrial global reactive nitrogen budgets[J].Biogeochemistry,1999,46:7-43.

[2] Galloway J N,Dentener F J,Capone D G,etal.Nitrogen cycles:past,present,and future[J].Biogeochemistry,2004,70:153-226.

[3] Galloway J N,Townsend A R,Erisman J W,etal.Transformation of the nitrogen cycle:Recent trends,questions,and potential solutions[J].Science,2008,320:889-892.

[4] Bowman W D,Cleveland C C,Baron J S,etal.Negative impact of nitrogen deposition on soil buffering capacity[J].Nature Geoscience,2008,1:767-770.

[5] Tilman D.Secondary succession and the pattern of plant dominance along experimental nitrogen gradients[J].Ecological Monographs,1987,57:189-214.

[6] Zavaleta E S,Shaw M R,Chiarellio N R,etal.Grassland responses to three years of elevated temperature,CO2,percipitation and N deposition[J].Ecological Monographs,2003,73:585-604.

[7] Stevens C J,Dise N B,Mountford J O.Impact of nitrogen deposition on the species richness of grasslands[J].Science,2004,303:1876-1879.

[8] Clark C M,Tilman D.Loss of plant species after chronic low-level nitrogen deposition to prairie grasslands[J].Nature,2008,451:712-715.

[9] Vitousek P M,Aber J D,Howarth R W,etal.Technical report:human alteration of the global nitrogen cycle:Hources and consequences[J].Ecological Applications,1997,7:737-750.

[10] Diekmann M,Falkengren-Grerup U.Prediction of species response to atmospheric nitrogen deposition by means of ecological measures and life history traits[J].Journal of Ecology,2002,90:108-120.

[11] Cleland E E,Chiariello N R,Laorie S R,etal.Diverse responses of phenology to global changes in a grassland ecosystem[J].PNAS,2006,103:13740-13744.

[12] Obeso J R.Costs of reproduction inIlexaquifolium:Effects at tree,branch and leaf levels[J].Journal of Ecology,1997,85:159-166.

[13] Niu K C,Luo Y J,Philippe C L,etal.The role of biomass allocation strategy in diversity loss due to fertilization[J].Basic and Applied Ecology,2008,9:485-493.

[14] Elzinga J A,Atlan A,Biere A,etal.Time after time:Flowering phenology and biotic interactions[J].Trends in Ecology & Evolution,2007,22:432-439.

[15] Bolmgren K,Cowan P.Time-size tradeoffs:A phylogenetic comparative study of flowering time,plant height and seed mass in a north-temperate flora[J].Oikos,2008,117:424-429.

[16] Walther G R,Post E,Convey P,etal.Ecological responses to recent climate change[J].Nature,2002,416:389-395.

[17] Tooke F,Battey N H.Temperate flowering phenology[J].Journal of Experimental Botany,2010,61:2853-2862.

[18] Weiher E,Van der Werf A,Thompson K,etal.Challenging Theophrastus:A common core list of plant traits for functional ecology[J].Journal of Vegetation Science,1999,10:609-620.

[19] 劉志民,閆巧玲,馬君玲，等.生殖物候與草甸草地多年生植物的消長[J].生態(tài)學報,2006,26(3):773-779.

[20] Sherry R A,Zhou X H, Gu S L,etal.Divergence of reproductive phenology under climate warming[J].PNAS,2007,104:198-202.

[21] Menzel A.Phenology:Its importance to the global change community[J].Climatic Change,2002,54:379-385.

[22] Menzel A,Fabian P.Growing season extended in Europe[J].Nature,1999,397:659-659.

[23] Fitter A H,Fitter R S R.Rapid changes in flowering time in British plants[J].Science,2002,296:1689-1691.

[24] Cleland E E,Chuine I,Menzel A,etal.Shifting plant phenology in response to global change[J].Trends in Ecology & Evolution,2007,22:357-365.

[25] 巴雅爾塔,賈鵬,楊曉,等.青藏高原高寒草甸組分種花期物候對施肥響應[J].草業(yè)學報,2010,19(3):233-239.

[26] Wilson S D,Tilman D.Plant competition and resource availability in response to disturbance and fertilization[J].Ecology,1993,74:599-611.

[27] Martinkova J,Smilaur P,Mihulka S.Phenological pattern of grassland species:Relation to the ecological and morphological traits[J].Flora,2002,197,290-302.

[28] Hovenden M J,Wills K E,Vander Schoor J K,etal.Flowering phenology in a species-rich temperate grassland is sensitive to warming but not elevated CO2[J].New Phytologist,2008,178:815-822.

[29] Garnier E,Cortez J,Billes G,etal.Plant functional markers capture ecosystem properties during secondary succession[J].Ecology,2004,85:2630-2637.

[30] Obeso J R.Costs of reproduction in plant[J].New Physiologist,2002,155:321-348.

[31] Niu K C,Cholar P,Zhao B B,etal.The allometry of reproductive biomass in response to land use in Tibetan alpine grasslands[J].Functional Ecology,2009,23:274-283.

[32] Violle C,Navas M L,Vile D,etal.Let the concept of trait be functional[J].Oikos,2007,116:882-892.

[33] Bloom A J,Chapin F S,Mooney H A,etal.Resource limitation in plants an economic analogy[J].Annual Review of Ecology and Systematics,2003,16:363-392.

[34] Ren Z W,Li Q,Chu C J,etal.Effects of resource additions on species richness and ANPP in an alpine meadow community[J].Journal of Plant Ecology,2010,3:25-31.

[35] Falster D S,Westoby M.Plant height and evolutionary games[J].Trends in Ecology & Evolution,2003,18:337-343.

[36] Moles A T,Warton D I,Warman L,etal.Global patterns in plant height[J].Journal of Ecology, 2009,97:923-932.

[37] Reich P B,Ellsworth D S.Generality of leaf trait relationships:A test across six biomes[J].Ecology,1999,80:1955-1969.

[38] Li W,Wen S J,Du G Z,etal.Root-shoot competition interactions cause diversity loss after fertilization:A field experiment in an alpine meadow on the Tibetan Plateau[J].Journal of Plant Ecology,2011,4:138-146.

[39] 葛慶征,魏斌,江小雷,等.草地恢復措施對高寒草甸植物群落的影響[J].草業(yè)科學，2012,29(10):1517-1520.

[40] Smith M M,Knapp A K,Collins S L.A framework for assessing ecosystem dynamics in response to chronic resource alterations induced by global change[J].Ecology,2009,90:3279-3289.